La presenza di impurezze di monossido di carbonio (CO) nel gas idrogeno (H ₂ ) può avere un impatto negativo sulle prestazioni delle celle a combustibile. Recenti studi hanno dimostrato che le nanoparticelle d'oro, particelle di larghezza inferiore a cinque nanometri, possono rimuovere cataliticamente le impurità di CO da H ₂ in condizioni di temperatura e pressione miti. Questa comprensione rivoluzionaria ha contribuito a facilitare lo sviluppo di veicoli a celle a combustibile che utilizzano la tecnologia di elaborazione del carburante "a bordo". Sfortunatamente, le nanoparticelle d'oro tendono a perdere la loro attività catalitica dopo poche ore di utilizzo e gli scienziati devono superare questo problema se devono essere utilizzate le nanoparticelle d'oro.

Ziyi Zhong presso l'A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, Ming Lin dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e collaboratori hanno identificato il sottile, trasformazioni strutturali su scala atomica che possono attivare e disattivare catalizzatori di nanoparticelle d'oro, una scoperta che potrebbe portare a celle a combustibile a idrogeno più durature.

I ricercatori hanno deciso di progettare un catalizzatore migliorato per le cosiddette reazioni di ossidazione preferenziale (PROX). Questo approccio trasforma le impurità di CO in anidride carbonica (CO ₂ ) su supporto ceramico contenente catalizzatori metallici. In precedenza, il team ha scoperto che i supporti a base di silice, chiamato SBA-15, potrebbe aumentare la rimozione di CO assorbendo selettivamente la CO ₂ sottoprodotto. I ricercatori hanno sfruttato un'altra caratteristica dell'SBA-15, una struttura mesoporosa decorata da gruppi amminici terminali, per progettare un nuovo catalizzatore PROX.

Primo, il team ha utilizzato la modifica dell'ammina per disperdere una miscela di precursori di oro e ossido di rame (II) (CuO) in modo uniforme sul supporto SBA-15. Hanno quindi utilizzato il trattamento termico per generare nanoparticelle di oro e CuO sul supporto SBA-15. I numerosi pori di SBA-15 e le particelle di CuO lavorano insieme per ostacolare l'agglomerazione delle nanoparticelle d'oro, una delle principali cause di disattivazione del catalizzatore.

Il team ha quindi raggiunto un'impresa chimica quasi senza precedenti:caratterizzazione strutturale localizzata del loro catalizzatore su scala atomica, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HR-TEM) e la tomografia elettronica tridimensionale (vedi filmato sotto). Queste tecniche di imaging hanno rivelato che i siti di catalizzatori attivi, nanoparticelle di oro o lega di oro-rame nelle immediate vicinanze di CuO amorfo e cristallino, sono rimasti stabili fino a 13 ore. Però, l'atmosfera riducente trasforma infine CuO in ossido di rame(I) e rame libero; quest'ultimo si lega poi con le nanoparticelle d'oro e le disattiva. Fortunatamente, riscaldamento a> 300°C ha invertito il processo di lega e ripristinato l'attività del catalizzatore.

"Le persone che lavorano nella catalisi sono sempre curiose delle 'strutture locali' dei loro materiali, " dice Zhong. "Poiché il catalizzatore Au-CuO/SBA-15 è attivo a temperatura ambiente, la caratterizzazione avanzata nelle nostre strutture all'avanguardia è possibile, sebbene richieda grande pazienza e richieda una collaborazione multidisciplinare".